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Java 序列化全方位解析

Java技术 winrains 来源:Jay_huaxiao 7个月前 (04-23) 56次浏览

前言

相信大家日常开发中,经常看到Java对象“implements Serializable”。那么,它到底有什么用呢?本文从以下几个角度来解析序列这一块知识点~

  • 什么是Java序列化?
  • 为什么需要序列化?
  • 序列化用途
  • Java序列化常用API
  • 序列化的使用
  • 序列化底层
  • 日常开发序列化的注意点
  • 序列化常见面试题

一、什么是Java序列化?

  • 序列化:把Java对象转换为字节序列的过程
  • 反序列:把字节序列恢复为Java对象的过程

二、为什么需要序列化?

Java对象是运行在JVM的堆内存中的,如果JVM停止后,它的生命也就戛然而止。

如果想在JVM停止后,把这些对象保存到磁盘或者通过网络传输到另一远程机器,怎么办呢?磁盘这些硬件可不认识Java对象,它们只认识二进制这些机器语言,所以我们就要把这些对象转化为字节数组,这个过程就是序列化啦~

打个比喻,作为大城市漂泊的码农,搬家是常态。当我们搬书桌时,桌子太大了就通不过比较小的门,因此我们需要把它拆开再搬过去,这个拆桌子的过程就是序列化。 而我们把书桌复原回来(安装)的过程就是反序列化啦。

三、序列化用途

序列化使得对象可以脱离程序运行而独立存在,它主要有两种用途:

  • 1) 序列化机制可以让对象地保存到硬盘上,减轻内存压力的同时,也起了持久化的作用;

比如 Web服务器中的Session对象,当有 10+万用户并发访问的,就有可能出现10万个Session对象,内存可能消化不良,于是Web容器就会把一些seesion先序列化到硬盘中,等要用了,再把保存在硬盘中的对象还原到内存中。

  • 2) 序列化机制让Java对象在网络传输不再是天方夜谭。

我们在使用Dubbo远程调用服务框架时,需要把传输的Java对象实现Serializable接口,即让Java对象序列化,因为这样才能让对象在网络上传输。

四、Java序列化常用API

java.io.ObjectOutputStream
java.io.ObjectInputStream
java.io.Serializable
java.io.Externalizable

Serializable 接口

Serializable接口是一个标记接口,没有方法或字段。一旦实现了此接口,就标志该类的对象就是可序列化的。

public interface Serializable {
}

Externalizable 接口

Externalizable继承了Serializable接口,还定义了两个抽象方法:writeExternal()和readExternal(),如果开发人员使用Externalizable来实现序列化和反序列化,需要重写writeExternal()和readExternal()方法

public interface Externalizable extends java.io.Serializable {
    void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException;
    void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException;
}

java.io.ObjectOutputStream类

表示对象输出流,它的writeObject(Object obj)方法可以对指定obj对象参数进行序列化,再把得到的字节序列写到一个目标输出流中。

java.io.ObjectInputStream

表示对象输入流, 它的readObject()方法,从输入流中读取到字节序列,反序列化成为一个对象,最后将其返回。

五、序列化的使用

序列化如何使用?来看一下,序列化的使用的几个关键点吧:

  • 声明一个实体类,实现Serializable接口
  • 使用ObjectOutputStream类的writeObject方法,实现序列化
  • 使用ObjectInputStream类的readObject方法,实现反序列化

声明一个Student类,实现Serializable

public class Student implements Serializable {

    private Integer age;
    private String name;

    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

使用ObjectOutputStream类的writeObject方法,对Student对象实现序列化

把Student对象设置值后,写入一个文件,即序列化,哈哈~

ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream( new FileOutputStream("D:\\text.out"));
Student student = new Student();
student.setAge(25);
student.setName("jayWei");
objectOutputStream.writeObject(student);

objectOutputStream.flush();
objectOutputStream.close();

看看序列化的可爱模样吧,test.out文件内容如下(使用UltraEdit打开):

使用ObjectInputStream类的readObject方法,实现反序列化,重新生成student对象

再把test.out文件读取出来,反序列化为Student对象

ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\text.out"));
Student student = (Student) objectInputStream.readObject();
System.out.println("name="+student.getName());

六、序列化底层

Serializable底层

Serializable接口,只是一个空的接口,没有方法或字段,为什么这么神奇,实现了它就可以让对象序列化了?

public interface Serializable {
}

为了验证Serializable的作用,把以上demo的Student对象,去掉实现Serializable接口,看序列化过程怎样吧~

序列化过程中抛出异常啦,堆栈信息如下:

Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException: com.example.demo.Student
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184)
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348)
    at com.example.demo.Test.main(Test.java:13)

顺着堆栈信息看一下,原来有重大发现,如下~

原来底层是这样: ObjectOutputStream 在序列化的时候,会判断被序列化的Object是哪一种类型,String?array?enum?还是 Serializable,如果都不是的话,抛出 NotSerializableException异常。所以呀,Serializable真的只是一个标志,一个序列化标志~

writeObject(Object)

序列化的方法就是writeObject,基于以上的demo,我们来分析一波它的核心方法调用链吧~(建议大家也去debug看一下这个方法,感兴趣的话)

writeObject直接调用的就是writeObject0()方法,

public final void writeObject(Object obj) throws IOException {
    ......
    writeObject0(obj, false);
    ......
}

writeObject0 主要实现是对象的不同类型,调用不同的方法写入序列化数据,这里面如果对象实现了Serializable接口,就调用writeOrdinaryObject()方法~

private void writeObject0(Object obj, boolean unshared)
        throws IOException
    {
    ......
   //String类型
    if (obj instanceof String) {
        writeString((String) obj, unshared);
   //数组类型
    } else if (cl.isArray()) {
        writeArray(obj, desc, unshared);
   //枚举类型
    } else if (obj instanceof Enum) {
        writeEnum((Enum<?>) obj, desc, unshared);
   //Serializable实现序列化接口
    } else if (obj instanceof Serializable) {
        writeOrdinaryObject(obj, desc, unshared);
    } else{
        //其他情况会抛异常~
        if (extendedDebugInfo) {
            throw new NotSerializableException(
                cl.getName() + "\n" + debugInfoStack.toString());
        } else {
            throw new NotSerializableException(cl.getName());
        }
    }
    ......

writeOrdinaryObject()会先调用writeClassDesc(desc),写入该类的生成信息,然后调用writeSerialData方法,写入序列化数据

private void writeOrdinaryObject(Object obj,
                                 ObjectStreamClass desc,
                                 boolean unshared)
    throws IOException
{
        ......
        //调用ObjectStreamClass的写入方法
        writeClassDesc(desc, false);
        // 判断是否实现了Externalizable接口
        if (desc.isExternalizable() && !desc.isProxy()) {
            writeExternalData((Externalizable) obj);
        } else {
            //写入序列化数据
            writeSerialData(obj, desc);
        }
        .....
}

writeSerialData()实现的就是写入被序列化对象的字段数据

private void writeSerialData(Object obj, ObjectStreamClass desc)
      throws IOException
  {
      for (int i = 0; i < slots.length; i++) {
          if (slotDesc.hasWriteObjectMethod()) {
                 //如果被序列化的对象自定义实现了writeObject()方法,则执行这个代码块
                  slotDesc.invokeWriteObject(obj, this);
          } else {
              // 调用默认的方法写入实例数据
              defaultWriteFields(obj, slotDesc);
          }
      }
  }

defaultWriteFields()方法,获取类的基本数据类型数据,直接写入底层字节容器;获取类的obj类型数据,循环递归调用writeObject0()方法,写入数据~

private void defaultWriteFields(Object obj, ObjectStreamClass desc)
     throws IOException
 {   
     // 获取类的基本数据类型数据,保存到primVals字节数组
     desc.getPrimFieldValues(obj, primVals);
     //primVals的基本类型数据写到底层字节容器
     bout.write(primVals, 0, primDataSize, false);

     // 获取对应类的所有字段对象
     ObjectStreamField[] fields = desc.getFields(false);
     Object[] objVals = new Object[desc.getNumObjFields()];
     int numPrimFields = fields.length - objVals.length;
     // 获取类的obj类型数据,保存到objVals字节数组
     desc.getObjFieldValues(obj, objVals);
     //对所有Object类型的字段,循环
     for (int i = 0; i < objVals.length; i++) {
         ......
           //递归调用writeObject0()方法,写入对应的数据
         writeObject0(objVals[i],
                          fields[numPrimFields + i].isUnshared());
         ......
     }
 }

七、日常开发序列化的一些注意点

  • static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的
  • serialVersionUID问题
  • 如果某个序列化类的成员变量是对象类型,则该对象类型的类必须实现序列化
  • 子类实现了序列化,父类没有实现序列化,父类中的字段丢失问题

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的,我们来看例子分析一波~ Student类加了一个类变量gender和一个transient修饰的字段specialty

public class Student implements Serializable {

    private Integer age;
    private String name;

    public static String gender = "男";
    transient  String specialty = "计算机专业";

    public String getSpecialty() {
        return specialty;
    }

    public void setSpecialty(String specialty) {
        this.specialty = specialty;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +"age=" + age + ", name='" + name + '\'' + ", gender='" + gender + '\'' + ", specialty='" + specialty + '\'' +
                '}';
    }
    ......

打印学生对象,序列化到文件,接着修改静态变量的值,再反序列化,输出反序列化后的对象~

运行结果:

序列化前Student{age=25, name='jayWei', gender='男', specialty='计算机专业'}
序列化后Student{age=25, name='jayWei', gender='女', specialty='null'}

对比结果可以发现:

  • 1)序列化前的静态变量性别明明是‘男’,序列化后再在程序中修改,反序列化后却变成‘女’了,what?显然这个静态属性并没有进行序列化。其实,静态(static)成员变量是属于类级别的,而序列化是针对对象的~所以不能序列化哦
  • 2)经过序列化和反序列化过程后,specialty字段变量值由’计算机专业’变为空了,为什么呢?其实是因为transient关键字,它可以阻止修饰的字段被序列化到文件中,在被反序列化后,transient 字段的值被设为初始值,比如int型的值会被设置为 0,对象型初始值会被设置为null。

serialVersionUID问题

serialVersionUID 表面意思就是序列化版本号ID,其实每一个实现Serializable接口的类,都有一个表示序列化版本标识符的静态变量,或者默认等于1L,或者等于对象的哈希码。

private static final long serialVersionUID = -6384871967268653799L;

serialVersionUID有什么用?

JAVA序列化的机制是通过判断类的serialVersionUID来验证版本是否一致的。在进行反序列化时,JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID和本地相应实体类的serialVersionUID进行比较,如果相同,反序列化成功,如果不相同,就抛出InvalidClassException异常。

接下来,我们来验证一下吧,修改一下Student类,再反序列化操作

Exception in thread "main" java.io.InvalidClassException: com.example.demo.Student;
local class incompatible: stream classdesc serialVersionUID = 3096644667492403394,
local class serialVersionUID = 4429793331949928814
    at java.io.ObjectStreamClass.initNonProxy(ObjectStreamClass.java:687)
    at java.io.ObjectInputStream.readNonProxyDesc(ObjectInputStream.java:1876)
    at java.io.ObjectInputStream.readClassDesc(ObjectInputStream.java:1745)
    at java.io.ObjectInputStream.readOrdinaryObject(ObjectInputStream.java:2033)
    at java.io.ObjectInputStream.readObject0(ObjectInputStream.java:1567)
    at java.io.ObjectInputStream.readObject(ObjectInputStream.java:427)
    at com.example.demo.Test.main(Test.java:20)

从日志堆栈异常信息可以看到,文件流中的class和当前类路径中的class不同了,它们的serialVersionUID不相同,所以反序列化抛出InvalidClassException异常。那么,如果确实需要修改Student类,又想反序列化成功,怎么办呢?可以手动指定serialVersionUID的值,一般可以设置为1L或者,或者让我们的编辑器IDE生成

private static final long serialVersionUID = -6564022808907262054L;

实际上,阿里开发手册,强制要求序列化类新增属性时,不能修改serialVersionUID字段~

如果某个序列化类的成员变量是对象类型,则该对象类型的类必须实现序列化

给Student类添加一个Teacher类型的成员变量,其中Teacher是没有实现序列化接口的

public class Student implements Serializable {
    
    private Integer age;
    private String name;
    private Teacher teacher;
    ...
}
//Teacher 没有实现
public class Teacher  {
......
}

序列化运行,就报NotSerializableException异常啦

Exception in thread "main" java.io.NotSerializableException: com.example.demo.Teacher
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1184)
    at java.io.ObjectOutputStream.defaultWriteFields(ObjectOutputStream.java:1548)
    at java.io.ObjectOutputStream.writeSerialData(ObjectOutputStream.java:1509)
    at java.io.ObjectOutputStream.writeOrdinaryObject(ObjectOutputStream.java:1432)
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject0(ObjectOutputStream.java:1178)
    at java.io.ObjectOutputStream.writeObject(ObjectOutputStream.java:348)
    at com.example.demo.Test.main(Test.java:16)

其实这个可以在上小节的底层源码分析找到答案,一个对象序列化过程,会循环调用它的Object类型字段,递归调用序列化的,也就是说,序列化Student类的时候,会对Teacher类进行序列化,但是对Teacher没有实现序列化接口,因此抛出NotSerializableException异常。所以如果某个实例化类的成员变量是对象类型,则该对象类型的类必须实现序列化

子类实现了Serializable,父类没有实现Serializable接口的话,父类不会被序列化。

子类Student实现了Serializable接口,父类User没有实现Serializable接口

//父类实现了Serializable接口
public class Student  extends User implements Serializable {

    private Integer age;
    private String name;
}
//父类没有实现Serializable接口
public class User {
    String userId;
}

Student student = new Student();
student.setAge(25);
student.setName("jayWei");
student.setUserId("1");

ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\text.out"));
objectOutputStream.writeObject(student);

objectOutputStream.flush();
objectOutputStream.close();

//反序列化结果
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\text.out"));
Student student1 = (Student) objectInputStream.readObject();
System.out.println(student1.getUserId());
//output
/** 
 * null
 */

从反序列化结果,可以发现,父类属性值丢失了。因此子类实现了Serializable接口,父类没有实现Serializable接口的话,父类不会被序列化。

八、序列化常见面试题

  • 序列化的底层是怎么实现的?
  • 序列化时,如何让某些成员不要序列化?
  • 在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什么区别
  • serialVersionUID有什么用?
  • 是否可以自定义序列化过程, 或者是否可以覆盖 Java 中的默认序列化过程?
  • 在 Java 序列化期间,哪些变量未序列化?

1.序列化的底层是怎么实现的?

本文第六小节可以回答这个问题,如回答Serializable关键字作用,序列化标志啦,源码中,它的作用啦~还有,可以回答writeObject几个核心方法,如直接写入基本类型,获取obj类型数据,循环递归写入,哈哈~

2.序列化时,如何让某些成员不要序列化?

可以用transient关键字修饰,它可以阻止修饰的字段被序列化到文件中,在被反序列化后,transient 字段的值被设为初始值,比如int型的值会被设置为 0,对象型初始值会被设置为null。

3.在 Java 中,Serializable 和 Externalizable 有什么区别

Externalizable继承了Serializable,给我们提供 writeExternal() 和 readExternal() 方法, 让我们可以控制 Java的序列化机制, 不依赖于Java的默认序列化。正确实现 Externalizable 接口可以显著提高应用程序的性能。

4.serialVersionUID有什么用?

可以看回本文第七小节哈,JAVA序列化的机制是通过判断类的serialVersionUID来验证版本是否一致的。在进行反序列化时,JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID和本地相应实体类的serialVersionUID进行比较,如果相同,反序列化成功,如果不相同,就抛出InvalidClassException异常。

5.是否可以自定义序列化过程, 或者是否可以覆盖 Java 中的默认序列化过程?

可以的。我们都知道,对于序列化一个对象需调用 ObjectOutputStream.writeObject(saveThisObject), 并用 ObjectInputStream.readObject() 读取对象, 但 Java 虚拟机为你提供的还有一件事, 是定义这两个方法。如果在类中定义这两种方法, 则 JVM 将调用这两种方法, 而不是应用默认序列化机制。同时,可以声明这些方法为私有方法,以避免被继承、重写或重载。

6.在 Java 序列化期间,哪些变量未序列化?

static静态变量和transient 修饰的字段是不会被序列化的。静态(static)成员变量是属于类级别的,而序列化是针对对象的。transient关键字修字段饰,可以阻止该字段被序列化到文件中。

参考与感谢

作者:Jay_huaxiao

来源:https://juejin.im/post/5e7f150d51882573b3309ceb


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